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北京石墨烯研究院劉忠範/劉開輝團隊:石墨烯光子晶體光纖最新研究進展

光子晶體光纖(PCF)是近二十年來光纖領域發展的最重要成果之一,它是一種具有周期性孔道排布的人工微結構材料。PCF與氣體、液體、固體和液晶等功能材料的集成,能夠極大地擴展其在光子、光電子器件領域的應用。石墨烯的興起強烈地激發了其與PCF結合的研究興趣,使得電場可調諧、寬波帶響應和全光集成等多功能光纖光子器件變為可能,在光通信、光傳感和非線性光纖光學等領域展現出廣闊的應用前景。前期,研究者們通過將石墨烯薄膜轉移到側拋或微納光纖上,或將石墨烯微片填充進PCF孔洞中,已經實現了石墨烯-光纖複合結構的製備與強的光物質相互作用。然而,這些研究工作大多局限於石墨烯和光纖的小麵積集成,耦合效率較低,且與實際應用所需要的規模化光纖材料製造要求相去甚遠。因此,開發能夠大規模生產的石墨烯光纖材料的新方法有著迫切的需求。

最近,北京大學、北京石墨烯研究院劉忠範院士、劉開輝研究員團隊,首次開發了利用化學氣相沉積法製備長度可達半米的石墨烯光子晶體光纖材料(Gr-PCF)。在PCF外表麵和內部孔壁上實現了不同厚度和均勻性的石墨烯薄膜的原位全覆蓋生長。石墨烯光子晶體光纖具有強烈且可調的光與物質相互作用,衰減係數高達8 dB cm-1(懸浮單層石墨烯隻有0.1 dB)。基於Gr-PCF製備的電光調製器具有寬頻帶響應特性(1150–1600 nm),在2V低電壓調控下即可實現~20 dB cm-1@1550 nm的深度調製。相關成果以“Graphene photonic crystal fibre with strong and tunable light–matter interaction”為題發表在國際頂級期刊Nature Photonics上(DOI: 10.1038/s41566-019-0492-5)。陳珂研究員、周旭博士與程旭博士生為論文共同第一作者,劉忠範院士、劉開輝研究員為論文共同通訊作者。

 圖1 石墨烯光子晶體光纖的製備及表征

本論文報道了常壓化學氣相沉積(APCVD)和低壓化學氣相沉積(LPCVD,壓力0.5-1.0 kPa)可控製備石墨烯光子晶體光纖的方法,獲得了半米長的石墨烯光纖材料,為避免雜質影響未引入金屬催化劑,克服了孔道內部石墨烯均勻生長的難題。在生長溫度為1100 °C和不同壓力的條件下,在PCF內部狹小的孔洞 (~4 μm)中實現了石墨烯層的均勻生長(圖 1)。生長後的PCF內部的二氧化矽層依然可以保持其結構的完整性,該結構由纖芯和周圍的包層區域組成,包層區域具有橫向周期排列的氣孔,石墨烯生長在PCF的外表麵和內部孔壁上。石墨烯在長距離孔內壁的均勻可控生長得益於甲烷等反應前驅體的流體力學行為調控。在氣體粘滯流條件(APCVD)下,氣體碳源受到傳質過程的限製,石墨烯生長厚度不均一。而在LPCVD生長條件下,根據分子流模型可知氣體流動接近自由分子流動狀態,傳質過程可忽略不計。這就可以很容易地生長出厚度均勻、長度可達半米的Gr-PCF材料。這樣的Gr-PCF複合結構具有以下獨特的優勢:(1)石墨烯的柔性使其可以緊密貼合在PCF的表麵或孔壁;(2)僅有原子厚度的石墨烯保持了PCF結構和主要功能的完整性和不變性;(3)石墨烯賦予了傳統光纖所不具備的獨特光電功能。

圖2 石墨烯光子晶體光纖電光調製器

在光子學應用方麵,Gr-PCF這種新材料具有強烈的光與石墨烯的相互作用(透過率衰減可達~8 dB cm-1)。通過離子液體柵壓調控,實現了電場可調節的光吸收強度。所製備的電光調製器具有高調製深度(~20 dB cm-1 @1550 nm),寬波帶響應(1150-1600 nm)和低電壓(< 2 V)調製等特性。該Gr-PCF調製器具有與其他光學器件集成的巨大潛力和優勢,為實現全光纖係統中光的同步傳輸、調製和檢測一體化提供了可能。該工作為基於Gr-PCF材料的石墨烯工業化應用開辟了新途徑,也為開發新型石墨烯光子學器件如鎖模光纖激光器、波長無關的非線性波長轉換器、寬帶偏振器、寬帶可飽和吸收器和光限幅器等提供了廣闊的平台。本論文的主要合作者還包括加州大學伯克利分校王楓教授、芬蘭阿爾托大學孫誌培教授。上述研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、北京市石墨烯專項計劃的支持。論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41566-019-0492-5

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